第四章-发酵工程-生概自制课件

第四章发酵工程涉及内容

一、发酵工程概况二、微生物发酵过程三、液体深层发酵四、固体发酵五、典型产品的发酵一、发酵工程概况（一）发酵的定义：

发酵（fermentation）最初来自拉丁语“发泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。巴斯德研究了酒精发酵的生理意义，认为发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。生物化学上将发酵定义为“微生物在无氧时的代谢过程”。目前，人们把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或其代谢产物的过程统称为发酵。

（二）发酵工程的定义

采用现代化工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。以微生物作为研究对象，也称微生物工程。现代的发酵工程不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要内容包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。

（三）发酵工程发展

起始时间发酵阶段主要产品主要技术古代-1900天然发酵酒、醋、酱油、干酪天然接种分批培养1905纯培养酒精、丙酮、丁醇密闭纯培养1940通气搅拌抗生素、有机酸、酶、维生素通气搅拌技术连续培养技术1956代谢调控氨基酸、核苷酸选育代谢调节和缺陷生产菌株1973基因工程胰岛素、干扰素基因工程菌原生质体融合等远古人类发现：吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）微生物学的奠基人——伟大的巴斯德

我国的传统发酵产品酱油、醋、腐乳等享誉世界

我国的酿酒已经有4000多年的历史

我国的酱油距今已有3000

年的历史

1857年巴斯德证明发酵是由于微生物的作用

（四）发酵类型根据微生物发酵产物的不同分为

1.微生物菌体发酵以获得某种用途的菌体为目的的发酵。

1)用于面包制作的酵母发酵及用于人类食品或动物饲料的微生物菌体蛋白（螺旋藻等）

2)药用真菌香菇类、依赖虫蛹而生存的冬虫夏草以及担子菌的灵芝等。

虫草真菌的子囊孢子侵袭虫草蝙蝠蛾的幼虫形成的“冬虫夏草”3)生物防治剂

苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧孢芽孢杆菌细胞中的伴孢晶体可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫；丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。2.微生物酶发酵：获得微生物酶制剂，多用于食品工业和轻工业中，如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖；也用于医药生产和医疗检测中，胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量，葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等等。3.微生物代谢产物发酵：获得微生物代谢产物，分为初级代谢产物（对数生长期所产生的产物如氨基酸、核苷酸糖类等，是菌体生长繁殖所必需的）和次级代谢产物（生长静止期合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、细菌毒素等，

与菌体生长繁殖无明显关系）两种。4.微生物的转化发酵利用微生物细胞的一种或多种酶把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱氨反应等。最古老的生物转化，就是利用菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。包括醇类转化、甾类转化和抗生素转化等。5.生物工程细胞发酵：

利用生物工程技术所获得的细胞，如DNA重组的“工程菌”以及细胞融合所得的“杂交”细胞等进行培养的新型发酵，其产物多种多样。有用基因工程菌生产的有胰岛素、干扰素等，用杂交瘤细胞生产的用于疾病治疗和诊断的各种单克隆抗体等。（五）发酵产品的生产特点：①操作条件比较温和，通常在常温常压下进行，耗能少，设备简单；②以淀粉、糖蜜或农副产品、工业废水或植物秸秆、木屑等可再生资源等为主要原料，成本低。③过程反应以生命体（微生物自身）的自动调节方式进行，多个反应可一次性完成；④能合成复杂的高分子化合物，如：酶、光学活性体等；能选择性的在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团导入等特殊反应；⑤生产过程中，需要防止杂菌污染（设备、空气）。（六）微生物工业的范围（1）医药工业生产抗生素、维生素、人胰岛素、乙肝疫苗、干扰素等（2）食品工业微生物蛋白、酒类、饮料、氨基酸、食品添加剂等（3）能源工业酒精、沼气发酵（4）化学工业可降解的生物塑料、化工原料、生物表面活性剂等（5）冶金工业利用微生物探矿、冶金、石油脱硫等（6）农业

生物固氮和生产生物杀虫剂及微生物饲料（7）环境保护净化有毒高分子化合物、降解浮油、处理废水、污水等二、微生物发酵过程1、发酵的方式

a.按微生物种类分即微生物反应过程，是指由微生物在生长繁殖过程中所引起的生化反应的过程。好氧性发酵厌氧性发酵兼性厌氧发酵酵母菌，缺氧时厌氧发酵积累酒精，有氧时好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞

需不断地通入一定量的无菌空气（黑曲霉的柠檬酸发酵、棒状杆菌的谷氨酸发酵）不需供给空气（乳酸杆菌的乳酸发酵）b.按培养基状态分液体发酵（最常用）固体发酵c、按照发酵设备类型分深层发酵在液体培养基的表面和内部进行微生物培养

敞口发酵密闭发酵浅盘发酵繁殖快并进行好氧发酵，如酵母表面培养法，在液体上面形成一层菌膜工艺复杂，设备要求高2、发酵工业中常用的微生物

微生物：

个体微小、结构简单，肉眼不可见或看不清楚的微小生物的统称。其种类包括原核生物的细菌（真细菌和古细菌）、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体和螺旋体等；属于真核生物的真菌（酵母菌、霉菌和担子菌）、单细胞藻类和原生动物以及没有细胞结构的病毒（动物、植物和微生物病毒）和亚病毒。

细菌、放线菌、酵母菌和霉菌在发酵工业中应用最广，藻类和担子菌亦有应用。细菌：

自然界中分布最广、数量最多的一类微生物，属单细胞原核生物，有球状（双球、四联球、八叠球、链球、葡萄球菌等）、杆状、螺旋状等多种形态，以较典型的二分裂方式繁殖。

细菌形态图细菌形态及结构简图杆菌二分裂过程电镜照片及模式图细菌的二分裂繁殖细菌生长时，单环DNA染色质体被复制，细胞内的蛋白质等组分同时增加一倍，然后在细胞中部产生一横断间隔，染色质体分开，继而间隔分裂形成细胞壁，最后形成两个相同的子细胞。如果间隔不完全分裂就形成链状细胞。发酵工业中常用的细菌有枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、棒状杆菌、短杆菌等，可用于生产淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等等。2）放线菌：因其菌落呈放射状而得名（菌丝末端伸长和分支，彼此交错成网状结构，称为菌丝体）。为原核生物，分布广，在含有机质丰富的微碱性土壤中较多。大多腐生，少数寄生。主要以

无性孢子进行繁殖，也可借菌丝片段进行繁殖。

放线菌形态根据放线菌菌丝形态和功能可分为营养菌丝、气生丝和孢子丝三种：①营养菌丝

又叫初级菌丝或一级菌丝，匍匐生长于培养基内，可吸收营养物，故亦称基内菌丝。②气生菌丝

又称二级菌丝。营养菌丝体发育到一定时期，长出培养基外并伸向空间的菌丝。叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。为繁殖后代做准备，传递营养物质。③孢子丝

气生菌丝体发育到一定程度，分化出可形成孢子的菌丝（产孢丝或繁殖菌丝）。孢子丝的形状有直形、波曲和螺旋形之分，着生方式有互生、轮生或丛生等，形态固定，

可作为菌种鉴定的依据。

链霉菌的形态构造模式放线菌的各种孢子丝形态放线菌能用于产生多种抗生素。从微生物中发现的抗生素，有60％以上是放线菌产生的，如链霉素、金霉素、红霉素、庆大霉素等。发酵工业常用的放线菌主要来自于链霉菌属、小单孢菌属和诺卡氏菌属等。3）酵母菌：单细胞真核生物，主要分布于含糖质较多的偏酸性环境中，如水果、蔬菜和植物叶片上及果园土壤中。大多为腐生，常以单个细胞存在，主要以出芽形式进行繁殖。母细胞体积长到一定程度时就开始发芽，芽长大的同时母细胞缩小，在母子细胞间形成隔膜，最后形成同样大小的母子细胞。如果子芽不与母细胞脱离就形成链状细胞，称为假菌丝。也有部分酵母以裂殖和子囊孢子的形式进行繁殖。酵母光镜图酵母电镜镜图酵母结构图酵母菌的芽殖过程1.泡；2.小管；3.核；4.液泡酵母菌假菌丝的形成图中1、2、3、4·······是出芽的顺序酵母生长旺盛时，芽体还未脱落时又生成新的芽体，形成假菌丝。酵母菌子囊孢子的形成过程（有性生殖）

1-4：两个细胞的原生质突起结合；5：接合子（双倍体细胞核）；6-9：核分裂，形成4-8个细胞核；10、11：子核与原生质形成孢子发酵工业上常用的酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶以及生产可食用、药用和饲料用的酵母菌体蛋白等。4）霉菌：凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌。分布广，大量存在于土壤、空气、水和生物体内外等处。喜偏酸性环境，大多数为好氧性，多腐生，少数寄生。各种曲霉的菌落青霉菌落各种病原真菌的菌落霉菌的营养体由菌丝体组成A.无隔多核菌丝；B.有隔单核菌丝；C.有隔多核菌丝

霉菌的繁殖能力很强，它以无性孢子（为主）和有性孢子进行繁殖。其生长方式是菌丝末端的伸长和顶端分支，彼此交错呈网状。为适应不同的环境条件和更有效地摄取营养满足生长发育的需要，许多霉菌的菌丝分化成一些特殊的形态和组织（菌丝变态）。如:假根（根霉属霉菌，固着和吸收养料）、寄生性吸器、捕食性真菌的菌套和菌网（用于捕捉其它小生物如线虫、草履虫等）根霉的结构示意图具假根

寄生性真菌的吸器A.球状B.根状C.指状D.佛手状

捕食性真菌的菌套和菌网

A.菌套B.简单菌网C.复杂菌网

黄曲霉的分生孢子青霉的分生孢子链霉菌的菌丝及分生孢子发酵工业上常用的霉菌有：藻状菌纲的根霉、毛霉、犁头霉，子囊菌纲的红曲霉，半知菌类的曲霉、青霉等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。5）其他微生物：a、担子菌（菇类）主要用于多糖、橡胶物质和抗癌药物（香菇）的开发。b、藻类（螺旋藻）螺旋藻自养型微生物可作人类保健食品和饲料；可通过藻类利用光能将C02转变为石油；利用其光合放氢作用来取得氢能。3、培养基1）培养基种类可按照培养基的组成成分、物理状态和功能进行分类。a、按组成成分分按成分不同划分天然培养基合成培养基含化学成分还不清楚或不恒定的天然有机物（动、植物或微生物的浸出物、水解液等物质(牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨等）化学成分完全了解的物质配制而成，实验室作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究按物理状态不同划分液体培养基中加入一定量凝固剂（1.5%-2.0%琼脂），使其呈固体状态琼脂含量一般为0.2%-0.7%固体培养基液体培养基半固体培养基常用来进行微生物的分离、鉴定、活菌计数及菌种保藏观察微生物的运动特征、分类鉴定及噬菌体效价滴定

不加任何凝固剂大规模工业生产及在实验室进行微生物的基础理论和应用的研究b、按物理状态分

1）孢子培养基：用于制备大量优质孢子（植物或微生物所产生的一种有繁殖或休眠作用的细胞，能直接发育成新个体

），且不能产生变异。基质浓度(特别是有机氮源)要低些，无机盐的浓度要适量，否则影响孢子的数量和质量。生产中常用的孢子培养基有麸皮培养基，大(小)米培养基，琼脂斜面培养基等。

c、根据在生产中的用途分

2）种子培养基：

供孢子发芽和菌体生长繁殖使用。要求营养成分丰富且完整，易被菌体吸收利用。其中氮源和维生素的含量应略高些，但总浓度以略

稀薄为宜，以便菌体的生长繁殖。常用的原料有葡萄糖、糊精、蛋白胨、玉米浆、酵母粉、硫酸铵、尿素、硫酸镁、磷酸盐等。培养基的组成随菌种而改变，成分要与发酵培养基相关联（使种子尽快适应发酵罐内的环境）。3）发酵培养基：

供菌体生长繁殖及合成大量代谢产物。要求组成丰富完整，营养成分的浓度和黏度适中，利于菌体的生长，进而合成大量代谢产物。发酵培养基的组成要考虑菌体在发酵过程中的各种生化代谢的协调，在产物合成期，使发酵液pH不出现大的波动。2）发酵培养基的组成

微生物的营养物质有六大类要素:水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和产物形成的诱导物、前体和促进剂。①水（水质影响较大）培养基的主要成分，构成菌体细胞，传递营养物质，直接参与代谢反应。深井水、自来水和地表水皆可。

②

碳源

构成菌体和产物的碳架及能量来源。包括各种单糖

(如葡萄糖)、双糖(如蔗糖)和淀粉、纤维素等多糖；玉米淀粉；油脂（霉菌和放线菌生长的消泡剂）；有机酸；醇类；石油产品等。③氮源构成微生物细胞本身的物质或代谢产物中氮素来源。有机和无机氮源两大类，黄豆、花生、棉籽饼粉、玉米浆、蛋白胨、酵母粉；氨水、硫酸铵、氯化铵、硝酸盐等。④无机盐和微量元素磷酸盐、硫酸盐、氯化钠、氯化钾及微量元素如镁、铁、钴、锌、锰等。构成菌体原生质的成分（P、S

等）；作为酶的组成成分或维持酶的活性（Mg、Fe、

Mn等）；调节细胞的渗透压和影响细胞膜的通透性（NaCl、KCl等）；参与产物的生物合成等。需要量甚微，0.1µg/mL的浓度即可。⑤生长因子自身不能合成，需要额外加入的微量有机物，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶、脂肪酸等。如酵母膏、牛肉膏、蛋白胨和一些动植物组织的浸出物。⑥产物形成的诱导物、前体和促进剂

诱导物促使胞外酶合成；前体可被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变（如合成红霉素的丙酸等）；促进剂能刺激菌株的生长，提高发酵产量，缩短发酵周期（在四环素发酵中加入溴化钠和M促进剂（2-巯基苯并噻唑），能抑制金霉素的生物合成，同时增加四环素产量）。4、发酵一般过程发酵过程一般包括了以下的基本步骤：a菌种的选育b培养基的配制c灭菌d种子的扩大培养和接种e发酵过程f下游加工过程（产物分离提纯）发酵过程流程简图1）菌种的选育

①从自然界中先分离出相应的菌种；②利用诱变筛选出符合生产要求的优良菌种；③利用基因工程、细胞工程的方法构建工程细胞或工程菌。

如：可将人工合成的人的胰岛素基因与大肠杆菌的质粒结合，形成重组DNA，再把重组DNA

导入大肠杆菌细胞内形成工程菌。通过筛选则可培养出能生产人的胰岛素的菌种。

2）培养基的配制配制原则：

①根据不同的菌种，选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的PH。

②

培养基的营养要协调，以利于产物的合成。

③

物理、化学条件适宜。（pH、水活度、渗透压）

④

培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的经济效益。3）灭菌包括设备灭菌、培养基（补料）灭菌、空气灭菌等。

a、灭菌的原因：

在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争或抑制关系，造成减产甚至无产品产生。（若在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则其分泌的抗生素就会使谷氨酸棒状杆菌死亡。b、灭菌的方法：

湿热灭菌。饱和蒸汽对培养基进行灭菌，121℃（约0.1

MPa）维持20～30min。空气除菌则可用介质过滤，可用定期灭菌的干燥介质来截流的空气中所含微生物，制得无菌空气。发酵罐灭菌处理4）种子扩大培养和接种

a、种子扩大培养含义：

将保存在沙土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面培养基上活化，再经过

茄子瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养，以促使菌体数量快速增加，能在短时间里得到大量的纯种（种子）。经扩大培养后的种子再进行发酵可缩短生产周期，提高设备利用率。可分为孢子进罐培养和菌丝进罐培养两种。种子的制备一般使用种子罐，常为二级扩大培养。种子扩大培养流程图

1.沙土孢子2.冷冻干燥孢子3.斜面孢子4.菌丝体摇瓶液体培养

5.茄子瓶斜面培养6.固体培养基培养

7.8.种子罐培养9.发酵罐培养b、接种：

从孢子悬浮液容器（种子容器）或种子罐将种子移入生产发酵罐中，进行大规模培养，要注意防止杂菌污染。接种：孢子悬浮容器或种子罐→发酵罐5）发酵

将已经扩大培养、旺盛繁殖的种子在一定条件

控制下继续生长繁殖并积累代谢产物。以获得

大量产品（菌体或代谢产物）为目的，是整个

发酵工程的中心环节。

6）下游处理

发酵结束后，要对发酵液或微生物细胞进行分

离和提取精制，制成所需产品。三、液体深层发酵

（一)发酵的操作方式

分批发酵

补料分批发酵

连续发酵

1.分批发酵

封闭系统，培养基和菌种一次性加入，中间与外界无物料交换（除空气进出外）。发酵过程中，营养不断减少，微生物不断增殖，环境非稳态，微生物生长周期明显；总生产能力不高，目前应用较广泛。

按操作方式分分批发酵：封闭系统，只能在一段有限的时间内维持微生物的增殖，微生物处在限制性的条件下生长，表现出典型的生长周期，大多数分批发酵在到达衰亡期前就结束。

典型的分批发酵工艺流程

2.连续发酵

以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，使罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长，可有效延长分批培养中的对数期。培养基等量流入流出；各种变化＝0；不存在生长周期。分为搅拌罐式（单、多罐）和管式反应器两种。可通过恒浊器法或恒化器法对发酵过程进行控制。目前主要用于研究工作中，如发酵动力学参数的测定，过程条件的优化试验等。工业生产中应用不多，用于废水处理，面包、饲料酵母等生产（设备要求高，周期长，菌体易变异，易污染，黏性丝状菌菌体易结团和黏附于罐壁）。搅拌式单罐连续发酵（a）和多罐连续发酵（b）反应器的出口，装一支路使细胞返回（2.细胞分离器），或者来自另一个连续培养罐。（未进行实际应用）

管式连续发酵

1、管式反应器；2、种子罐培养液沿管向前流动，管中停留时间不同的料液混合程度低，各处营养物浓度、细胞密度、氧浓度和产率等都不相同。恒浊培养连续培养维持一定总体积，培养液过量，保持菌体浓度恒定（当菌体浓度↑，浊度↑，控制使流速↑，反之亦然），

微生物始终以最高速率进行生长。

工业生产中用于生产大量菌体、生产与菌体生长相平行的某些代谢产物，如乳酸、乙醇等。恒浊培养示意图恒化连续培养维持一定总体积，保持培养液流速保持不变，通过控制某一种营养物（生长限制因子）浓度，使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖。（科研用）

恒浊器与恒化器的比较装置控制对象培养基培养基流速生长速率产物应用恒浊器菌体密度（内控制）无限制生长因子不恒定最高大量菌体或与菌体形成相平行的产物生产为主恒化器培养基浓度（外控制）有限制生长因子恒定低于最高不同生长速率的菌体实验室为主3.补料分批发酵在分批发酵时，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术，介于分批发酵和连续发酵之间，又称半连续发酵。可分为单一补料分批发酵和反复补料分批发酵两种。1）单一补料分批发酵：

开始时投入一定量的基础培养基，中间连续补加碳源或氮源或其他必需基质到最大操作容积后停止，一次放出。2）反复补料分批发酵：

在前者基础上，每隔一定时间按放出部分发酵液，始终不超过发酵罐最大操作容积，延长发酵周期。与分批及连续发酵比较：①分批加入营养物质，定期放出产物可解除分批发酵时产生的营养物基质抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。②避免进行好氧分批发酵时，因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以至通风搅拌设备不能匹配的状况。③减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。不存在连续发酵时出现的菌种老化和变异问题，适用范围也比连续发酵广。广泛应用于整个发酵行业，单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素等。在液体、固体发酵及混合培养中均有应用。（二）发酵工艺控制：

在发酵过程中随时取样检测以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物。直接参数（温度、压力、pH、溶解氧）和间接参数（细胞生长速率、产物合成速率等）反应。

1、影响发酵过程的因素：

发酵生产中温度、pH、溶氧量等对发酵过程影响较大。

（1）温度

影响酶的活性、生物合成的途径、发酵液的物理性质及菌种对营养物质的分解吸收等。生长及发酵最适温度不同，但因发酵液体积过大，升降温不便。故常选择较适合的培养温度，以达到最高产量。

发酵中会释放大量的发酵热，通常需用冷却水（蛇形管或夹套），通过热交换来降温，保持恒温发酵。（2）pH

影响酶的活性、细胞膜的带电荷状况及培养基中营养物质的分解等。绝大多数细菌最适pH6.3-7.5；多数霉菌和酵母菌为pH3-6、放线菌pH7-8。

pH改变及控制：培养基中营养物质的代谢，是引起pH变化的重要原因，发酵液的pH变化是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果。发酵过程的各个阶段最适PH值不同，应随时进行调节：首先应考虑培养基的配比或在发酵过程中补加酸或碱。过去是直接加入酸（H2SO4）或碱（NaOH）来控制，现在以生理酸性物质如(NH4)2SO4和生理碱性物质如氨水来控制，可以调节pH同时补充氮源。也可用补料的方式（如：青霉素发酵时控制葡萄糖补加速率）或改变通气量来调节pH。（3）溶解氧

好氧性微生物在进行深层培养时，需要适量的氧气以维持其呼吸代谢和某些产物的合成，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。发酵过程中好氧菌只能利用溶解氧。因此，必须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断搅拌，提高氧在发酵液中的溶解度；同时通过控制基质浓度以达到合适的菌体浓度；调节温度、液化培养基等方式，满足菌体的生长和产物形成时对氧的需求。（三）发酵设备进行微生物深层培养的设备统称发酵罐。好氧发酵设备厌氧发酵设备通风搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐通用式发酵罐自吸式发酵罐循环式通风发酵罐高位塔式发酵罐1、机械搅拌式发酵罐1）通用式发酵罐封闭式，带罐压操作；具有机械搅拌和压缩空气分布装置，容积为20cm3～200m3，最大可达500m3。机械搅拌：打碎、分散气泡增加溶氧量，混合物料。常用涡轮搅拌器（中央有圆盘，防止气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出）。搅拌轴：从罐顶伸入罐内，也采用下伸（>100m3）。传热装置：夹套（<5m3）和蛇管（>5m3）传热降温。挡板：加强搅拌，促使液体上下翻动和控制流型，消除涡流。消泡装置：耙式消泡桨打碎泡沫。大型发酵罐及其搅拌装置180M3发酵罐车间给发酵罐供氧的大型空气压缩机小型通用式发酵罐（夹套传热）大中型通用式发酵罐（蛇形管传热）下伸式搅拌轴挡板可消除涡流耙式消泡桨的位置及形态2）自吸式发酵罐

罐体结构与通用式发酵罐类似，搅拌器的形状和结构不同（带中央吸气口的搅拌器）。浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力作用下被甩向叶轮外缘，中心形成负压，转子的空膛与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断被吸入，转子的搅拌使气体分散并与发酵液充分混合，沿叶轮末端排出，向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布于整个发酵罐。

无需空气压缩机供氧，动力消耗小于通用式发酵罐，进罐空气处于负压，染菌机会增加；搅拌转速高，菌丝被切断，影响菌体正常生长。自吸式发酵罐自吸式发酵罐转子结构自吸式发酵罐结构2、通风搅拌式发酵罐

无机械性搅拌装置，利用通入发酵罐的空气，供给微生物所需要的氧并且代替搅拌器使发酵液均匀混合。1）通风（空气带升环流式或带升式）发酵罐利用空气的动力（空气喷嘴的作用）使液体在循环管中上升，罐内液体下降，并沿此路线反复循环，代替搅拌器将发酵液均匀混合。分为内循环式和外循环式两种。循环式通风发酵罐高位塔式发酵罐a、内循环式b、外循环式（7.空气喷嘴）带升式发酵罐2）高位塔式发酵罐

类似于塔式反应器，高径比约为7左右，罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，并带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而循环。以培养饲料蛋白时使用的大规模气升式发酵罐为典型。大规模气升式发酵罐高位塔式发酵罐3、厌氧发酵罐

不需供氧，设备和工艺都较简单。排除发酵罐中的氧，应尽量装满发酵液，以便减少上层气相的影响，有时还需充入无氧气体。需使用大剂量接种(一般接种量为总操作体积的10％-20％)，使菌体迅速生长，减少其对外部氧渗入的敏感性。酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液体厌氧发酵工艺生产的。具有代表性的厌氧发酵设备如酒精发酵罐和用于啤酒生产的锥底立式发酵罐。有冷却装置，无通风设备酒精发酵罐锥底立式发酵罐——啤酒生产（四）产物分离提纯（下游加工过程）从发酵液（含细胞、代谢产物和剩余培养基）中分离、精制有关发酵产品的过程称为发酵生产的下游加工过程，包括发酵液预处理和固液分离、提取、精制以及成品加工四个阶段。

发酵产物不同，分离提纯的方法会有所不同，产物分离、提纯的一般方法是：

a.代谢产物：蒸馏、萃取、离子交换、超滤等

b.菌体本身：过滤、沉淀，如单细胞蛋白的生产。下游加工过程的一般流程（沉淀、吸附、萃取、超滤、结晶）发酵液初步纯化细胞碎片分离细胞破碎细胞分离高度纯化成品加工预处理胞外产物（加热、调pH、絮凝）（过滤、离心分离、膜分离)（匀浆、研磨、酶解）（离心分离、双水相萃取、膜分离）（重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离）（浓缩、无菌过滤、干燥、成型）胞外产物精制——产品的收得率和质量控制。提取处理目的：

改变发酵液的物理性质（黏度、颗粒、颗粒稳定性等），固液分离速度，分离器分离效率；目标产物转移其中一相（多数为液相）；去杂质离子（Ca2+、Mg2+、Fe3+等）；除蛋白。

预处理方法：加热、调pH值、凝聚处理完成后用板框压滤机，使菌丝与滤液分开，便于进一步提取。（1）悬浮液的预处理（2）提取

对存在于滤液或离心上清液中的活性物质进行浓缩，减小溶液体积，提高浓度。目前常用的提取方法有吸附法、超滤法、萃取法、离子交换法和沉淀法等。（3）精制提高浓缩液中活性物质纯度，可用沉淀、超滤、层析（大分子蛋白）、结晶（小分子物质）。

（4）成品加工经提取和精制后，有些产品还需要浓缩、无菌过滤和去热原、干燥、加稳定剂等加工步骤。浓缩可采用升膜或降膜式的薄膜蒸发或者采用膜过滤的方法。对热敏性物质可用离心薄膜蒸发进行浓缩；使用超滤膜过滤时，可同时达到除热原和除菌的目的。干燥是固体产品加工的最后一道工序，方法根据物料性质、物料状况及当地具体条件而定，可选用真空干燥、红外线干燥、沸腾干燥、气流干燥、喷雾干燥和冷冻干燥等方法。四、固体发酵

生长需水很少的微生物，可利用疏松而含有必要营养的固体培养基进行发酵生产，称为固体发酵（浅层和厚层发酵）。以经济易得、富含营养的工农业中的副、废产品为原料。如麸皮、高粱等。

进行开放式发酵，无菌要求不高，传统的酿酒、制酱、蘑菇的生产、奶酪制作及动植物废料的堆肥等。具有节水、节能的独特优势，属于清洁生产技术，现已逐步得到重视但还未解决不利于大规模工业化生产的问题。五、典型产品的发酵生产1、抗生素发酵生产——青霉素的发酵生产抗生素是微生物的次级代谢产物，低浓度下抑制或杀灭活细胞，选择性强。目前发现的6000多种抗生素中，约60％来自放线菌。青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。它于1928年为英国人Fleming发现，20世纪40年代投入工业生产，它能有效地控制伤口的细菌感染，在二战期间挽救了